多海洋立管结构瞬态振动特性及管间耦合作用机制研究

多弹性海洋立管间的耦合共振、振动干涉及尾涡区的泻涡叠加等是管群结构所特有的瞬态振动现象，也是加速其结构极限破坏和疲劳破坏的主要诱因。.本研究在完善非稳态振动信号分解、分析技术的基础上，采用数值模拟仿真与物理模型实验相结合的方法，对强迫及自激振动作用下，弹性多立管系统的瞬态振动特性及管间耦合作用机制进行研究。从流固耦合不规则能量转换和传递的角度，揭示均匀流、非均匀流场及复合动荷载作用下，弹性立管系统的振动模态突变、振动耦合、干涉的规律，以及管间振动能量不规则转移与不同区段泻涡发放形态、尾涡重组等现象之间的内在耦合机制。本项目关于多立管结构瞬态振动分析及管间耦合、干涉作用机制的研究结果，将对复杂海洋工程系统的结构优化设计、结构强度分析及疲劳破坏预报提供理论参考和应用指导。

泻涡脱落诱发的涡激振动是海洋立管和众多弹性结构疲劳破坏的主要诱因，越来越受到海洋工程界的关注。对于现代海洋工程结构而言，由于受浮体尺寸限制，大量弹性管体集约在有限空间，势必造成管群系统振动形式更加复杂。多立管间的耦合共振、振动干涉及尾涡区的泻涡叠加等是管群结构所特有的瞬态振动现象，也是加速其结构极限破坏和疲劳破坏的主要诱因。.本研究首先对应用于非稳态振动过程的经验模态信号分解、分析方法进行完善，提出了最大特征时间窗函数与三次样条差值的方法剔除非模态项，通过对固有模态函数进行再定义，解决固有模态函数不符合窄带要求的技术难题。改进后的经验模态分解方法可应用于分析非稳态涡激振动的瞬态特征；在完善非稳态振动信号分解、分析技术的基础上，采用数值模拟仿真与物理模型实验相结合的方法，对弹性管体群在不同外荷载、不同管间距组合下的耦合振动及尾流形态进行研究，从流固耦合不规则能量转换和传递的角度，揭示均匀流、非均匀流场及复合动荷载作用下，弹性立管系统的振动模态突变、振动耦合、干涉的规律，以及管间振动能量不规则转移与不同区段泻涡发放形态、尾涡重组等现象之间的内在耦合机制。阐明各立管在时域内的瞬态振动响应规律及流向自由度对立管群结构顺流向和横流向响应频率与振幅的影响规律，并对中等间距条件下出现的偏态流现象的产生机制进行说明。.数值仿真与模型试验均发现在多立管系统中，上下游管体中间涡流区会有回流产生，这种周期性和强度都不可忽视的速度矢量会导致剪切层过早地分离上游弹性管体，从而使得上游管体的振动形态和振动能量随时间急剧变化，同时使得作用于下游管体的拖曳力显著减弱，造成下游弹性管体在顺流向往复运动的幅度增大。如果立管间距较小，这种削弱效应就会更加明显，相邻两管发生碰撞的风险也会相应增高。.本项目中改进的振动信号分解、分析方法为实验、模拟结果提供了强有力的数据分析工具，物理模型实验与数值模拟相关的很多重要结论完全受益于此。同时，通过物理模型实验与数值模拟的结合，很多弹性管涡激振动相关的振动模态、弹性管振动模态瞬时突变、弹性管群的复合耦合振动及尾流区复杂的泻涡发放形态等方面都从流固耦合的角度给予了合理的解释。.本项目关于多立管结构瞬态振动分析及管间耦合、干涉作用机制的研究结果，将对复杂海洋工程系统的结构优化设计、结构强度分析及疲劳破坏预报提供理论参考和应用指导。